UKR| RUS

Воздушные линии электропередачи



Содержание

Опоры ЛЭП. Учет конкретных особенностей

Высоковольтная линия электропередачи представляет собой сложный конструктивный комплекс, который при нагружении рабо­тает как пространственная сетевая система, состоящая из конс­трукций опор, соединенных проводами и тросами.
В настоящее время в Украине при сооружении линий электропереда­чи высокого напряжения применяются в основном типовые унифицированные опоры ЛЭП, разработанные в 1968-70 г.г. До этого времени применялись опоры и фундаменты проекта унификации 1960 г. Каждая типовая конструкция предназначена для примене­ния в определенной области параметров, однако, в нашей стране, ввиду ее больших размеров и, в основном, равнинного рельефа, область применения каждой типовой опоры ЛЭП достаточно широ­ка.

Строительство по типовым проектам неизбежно приводит к перерасходу материала, вызванному необходимостью перехода от требуемых размеров конструкций индивидуального строительства к ближайшим большим, имеющимся в каталоге изделий, охватываемых типовыми проектами. Эти потери компенсируются тем, что уве­личивается серийность изделий, в соответствии с чем уменьшает­ся их стоимость. В последнее время широкое распространение получили многогранные опоры ЛЭП, которые рассчитываются с учетом конкретных особенностей линии.
В практике электросетевого строительства высота опоры и зависящий от нее шаг опоры на линии привязываются к рельефу местности путем изменения пролета опоры и устройства унифици­рованных понижающих (повышающих) секций ствола опоры.
Эти обстоятельства приводят к неоправданному усилению по­ясов, решетки ствола, траверс и других конструктивных элемен­тов опор линии.
Резервы несущей способности эксплуатируемой воздушной линии могут быть получены:
  • результате учета фактических ветровых, гололедных и температурных нагрузок и воздействий, имеющих место в районе исследуемой высоковольтной линии;
  • за счет уточнения нагрузок от технологического оборудо­вания: токоведущих проводов, грозозащитных тросов,  изоляторов и арматуры;
  • при уточнении постоянных нагрузок от собственного веса металлоконструкций, что существенно для переходных опор воздушных линий электропередач;
  • в результате совершенствования методов определения наг­рузок и расчета конструкций со времени проектирования воздушных линий электропередачи.
По направлению действия нагрузки на ВЛ можно подразделить на горизонтальные и вертикальные.
Основными нагрузками, опреде­ляющими размеры элементов опор и фундаментов опор ЛЭП, являются горизонтальные нагрузки, возникающие при воздей­ствиях ураганного ветра или при сочетаниях ветра с гололедом, а также нагрузки, возникающие при обрыве проводов и тросов.
В этом отношении опоры электропередач резко отличаются от ряда других инженерных сооружений, размеры которых определяются в ос­новном постоянными нагрузками от собственного веса и полезными технологическими нагрузками, для которых предназначены сооруже­ния.
В расчетах опор учитываются нагрузки следующих видов:
А. Горизонтальные:
  1. ветровая нагрузка на конструкцию опоры;
  2. ветровая нагрузка на провода и тросы;
  3. нагрузка от тяжения проводов и тросов.
Б. Вертикальные:
  1. собственный вес опоры;
  2. вес гирлянд изоляторов (с арматурой);
  3. вес проводов и тросов (без гололеда и с гололедом).


Атмосферные нагрузки и воздействия

Провода воздушных линий и тросы работают в тяжелых условиях, подвергаясь действию ветра, гололеда, химических реагентов, на­ходящихся в воздухе, вибрациям и т.д. В материалах проводов и тросов воздушных линий возникают большие механические напряжения.
Условия работы воздушной линии во многом зависят от клима­тических особенностей района, в котором она эксплуатируется, поэтому климатические условия должны быть положены в основу ме­тодики оценки технического состояния воздушной линии, так как на ее работу оказывают большое влияние режим температуры, ветра, влажность воздуха, условия, способствующие обледенению, и виды атмосферных отложений (гололед, изморозь), а также грозовые яв­ления.

Характер климата любого района может быть установлен в результате статистической обработки систематических многолетних метеорологических наблюдений, на основании которых производится изучение причин возникновения той или иной погоды, ее устойчи­вости и изменчивости в различное время года. Такие наблюдения производятся на метеорологических станциях и постах во многих пунктах Украины.
Следует заметить, что иногда приходится ограничиваться материалами наблюдений за относительно короткие сроки. В неко­торых же случаях результаты наблюдений и выводы не могут быть распространены на расположенные между метеостанциями участки со своим местным климатом, особенно в горных районах, когда высот­ное положение местности и степень ее доступности действию вет­ров не соответствует положению метеостанций. Если на уча­стках с неизученными особенностями климата можно ожидать более тяжелых климатических условий, чем в окружающем районе, то при проведении технического обследования воздушных линий необходимо проведение специальных наблюдений и получение информации от энергосистем, управлений Министерства путей сообщения и связи и других ведомств.
Характеристики состояния воздуха, атмосферные процессы, которые наблюдаются на метеорологических станциях, атмосферное давление, влажность воздуха, температура, гололед, изморозь и другие атмосферные осадки, а также ветер и грозы называются метеорологическими элементами.

Ветровая нагрузка

Анализ статистических данных об отказах ВЛ показал, что 46,7% повреждений и разрушений опор происходит из-за недо­статочности знаний о действии ветра. Основными причинами аварий были ошибки в назначении величины расчетной ветровой нагрузки, неправильное представление о характере ее распределения по со­оружению, вибрация конструкций.
Если известны расчетная скорость ветра, его порывистость, профиль ветра по высоте, вероятность ветров различной силы и "роза ветров", может быть установлено действие ветра на проектируемую воздушную линию.
Таким образом, скоростной напор можно представить состоя­щим из постоянной слагающей, соответствующей средней скорости основного воздушного потока, и переменной, обусловленной пуль­сациями.
Динамическое воздействие пульсаций и связанных с ними по­рывов ветра проявляется тем больше, чем больше период собствен­ных (свободных) колебаний сооружения, и в практике проектирова­ния воздушных линий учитывается при расчете конструкций высоких металлических и железобетонных опор с периодом собственных коле­баний более 0,25 сек. Для этого вычисленные или приведенные в строительных нормах и ПУЭ величины постоянной слагающей скорос­тного напора умножаются на динамический коэффициент, зависящий от пульсаций скоростного напора и от динамических характеристик сооружения.
При воздействии ветра на провода динамический эффект пуль­саций скоростного напора в общем случае не наблюдается. Это объясняется очень малой жесткостью проводов, а также тем, что пульсации скорости ветра на разных участках провода (пролета) не имеют одновременно наибольшей величины, благодаря чему не могут существенно изменить постоянную слагающую скоростного напора.
В приземном слое атмосферы скорость ветра изменяется с высотой по логарифмическому закону.
Для опор ВЛ главное значение имеет горизонтальная слагаю­щая ветра, исправление и скорость которой регистрируются при наблюдениях и в дальнейшем принимаются в качестве исходных дан­ных при определении расчетных горизонтальных нагрузок. Непосредственным влиянием ветра на работу воздушной линии является его давление на провода, тросы и опоры. Кроме того, создавая поперечную нагрузку на провода и тросы, ветер увеличивает их натяжение. Большая ветровая нагрузка на провода и опоры может вызвать поломку и падение опор иногда с вырыванием недостаточ­но прочно укрепленных в грунте фундаментов.
Расчет механической прочности опор и проводов воздушных линий обычно проводят для случаев действия ветра при больших скоростях (25-30 м/сек и более), когда воздушный поток становится неоднородным по своему строению и наблюдаются порывы ветра. Частицы воздуха совершают турбулентное движение, что приводит к пульсации скоростного напора.
Таким образом, уточнение ветровой нагрузки, принимаемой при расчете ВЛ, возможно за счет уточнения скорости ветра. Учет местных метеорологических данных о скорости ветра дает возможность достаточно просто уточнить ветровую нагрузку, как правило, в сторону ее снижения по сравнению с дейст­вующими нормами. Для уточнения ветровой нагрузки существенно важен выбор метеостанции и учет фактических условий измерения скорости ветра. Эти вопросы могут быть квалифицированно решены только специалистами по прикладной климатологии. Поэтому основные исходные данные о скорости ветра следует получать только от организаций Госкомгидромета.      

Нагрузка от гололеда

К числу гололедных образований относятся иней, кристаллическая и зернистая из­морозь, гололед и смешанные образования из гололеда и изморози.
Для проводов ВЛ иней и кристаллическая изморозь не предс­тавляют существенной дополнительной нагрузки и не влияют на их механическую прочность.
К значительно более тяжелым условиям работы проводов может привести образование зернистой изморози, гололеда или их смеси.
Зернистая изморозь - снеговидный рыхлый лед, нарастающий с наветренной стороны проводов в туманную, преимущественно ветреную погоду, особенно в горах. Отложение зернистой изморози может достигать в толщину многих сантиметров, обладая достаточной прочностью: ее объемная плотность может достигать 0,4 г/см3.
Гололед - слой плотного льда (мостового или прозрачного), нарастающий на проводах преимущественно с наветренной стороны от намерзания капель переохлажденного дождя или мороси. Обычно наблюдается при температуре от 0 до -3°С, реже при более низких, вплоть до -16°С. Корка намерзшего льда может достичь толщины нескольких сантиметров в зависимости от количества адсорбированного воздуха колеблется в пределах 0,6-0,9 г/см3.
Изморозевые и гололедные отложения обычно бывают односто­ронними. Гололеды и плотные изморози прочно удерживаются на проводах.
На провода, покрытые изморозью, гололедом или облепленные снегом, действует большая добавочная вертикальная нагрузка и увеличивается площадь, на которую давит ветер.
Образование изморози происходит наиболее часто при тем­пературе воздуха и провода около - 5°С. Воздух должен быть насыщен мельчайшими частицами переохлажденной воды (туман). Пе­реохлажденные частицы воды, соприкасаясь с проводами, имеющи­ми температуру ниже 0°С, кристаллизуются, образуя изморозь. Значительное количество изморози на проводах осаждается при большой влажности воздуха и ветре, наносящем на провода частицы воды. При ветре, направленном перпендикулярно линии, изморозь начинает откладываться на наветренной (подветренной) части про­вода. Поверхность провода, покрытая изморозью, увеличивается за счет проворачивания провода под действием веса изморози.
При направлении ветра вдоль линии провод покрывается из­морозью равномерно по всей поверхности.
На проводах воздушных линий наблюдаются смешанные явления, например, на гололед нарастает изморозь, а свободные простран­ства между иглами изморози заполняются снегом и т.п. В значи­тельных количествах на проводах может удерживаться только мок­рый снег, сухой снег ссыпается с проводов.
Большие гололедно-изморозевые отложения наблюдаются в зоне смешения двух масс воздуха с разными температурами (холодный й теплый фронт). В этой зоне происходит интенсивная конденсация водяного пара, находящегося в более теплом воздухе. Большое ко­личество капель переохлажденной воды, наносимой на провода, об­разует гололедно-изморозевые отложения значительного веса, приводящие иногда к повреждению линий.
Интенсивность и частота повторяемости изморозей и гололе­дов зависят от отметки местности над уровнем моря. Чем выше от­метка местности, тем чаще и интенсивнее гололедообразования.
На линиях, проходящих вблизи больших водных поверхностей (моря, озера и т.п.), следует ожидать более сильных и частых гололедов; испарения с этих поверхностей наносятся на провода. Отметим, что влияние морей сказывается не только на их берегах, оно распространяется на десятки и сотни километров.
Количество изморози и гололеда, образующихся на проводах, зависит от местных климатических условий. Например, в централь­ной части Украины  гололедо-изморозевые отложения наблюдаются сравнительно редко и вес их  на проводах 0,5 - 1 кг/м длины провода. В некоторых районах Донбасса гололед и изморозь представляют обычные явления, а вес отложений на проводах достигает    2 - 5 кг/м длины провода.
Размеры зернистой изморози на проводах в горных районах иногда достигают 150-200 мм в диаметре, а на открытых вершинах значительно больше. Продолжительность нахождения изморози на проводах может достигать 10 суток и более. Зернистая изморозь прочно сцепляется с проводом и своими размерами очень увеличи­вает парусность, что при поперечном ветре приводит к значительным, а иногда к катастрофическим нагрузкам для опор и проводов воздушной линии.
Максимальный размер гололеда в диаметре в некоторых районах достигает 50-60 мм. Время образования гололеда, по некоторым на­блюдениям, колеблется от нескольких часов до нескольких суток, а продолжительность его нахождения на проводах - до 15 суток, в зависимости от температуры воздуха. При большой толщине слоя вес гололеда может во много раз превысить вес самого прово­да, а увеличение парусности привести к значительному увеличе­нию ветрового давления.
Толщина смеси гололеда с изморозью в некоторых случаях в горных и предгорных районах достигает 70 мм, а при чередующихся наслоениях может быть вдвое больше. Объемный вес смеси зависит от количественного соотношения изморози и гололеда и бывает в пределах от 0,2 до 0,6 г/см3. В горных и предгорных районах объемный вес смеси может быть принят в среднем равным 0,35, а в равнинных - 0,2 г/см3.
Нарастание смеси происходит в течении нескольких суток, иногда с перерывами во времени. Нахождение ее на проводах в не­которых районах отмечалось в течении 40 суток.
К обледенению проводов и тросов может привести также налипание мокрого снега. Такой снег выпадает обычно при положи­тельной температуре в приземистом слое воздуха до + 1°С. Снего­пад может продолжаться сутками. В тихую, безветренную погоду снег, оседая на проводах,  постепенно покрывает их большим слоем. Если в процессе снегопада при отсутствии ветра температура воз­духа понизится и перейдет к отрицательным значениям, то налипший на проводе влажный снег начнет замерзать. При сплошном замерзании структура его становится кристаллической, образуя прочное сцеп­ление с проводом (примерзание); такой снег не опадает при ветре.
Объемный вес замерзшего снега составляет от 0,1 до 0,5 г/см3, т.е. меньше, чем чистого гололеда, но размеры его на проводах могут быть очень большими, что создает большую вертикальную нагрузку для проводов. Примерзший к проводу снег диаметром 20-30, а иногда 50 мм увеличивает парусность провода. Поэтому при поперечном ветре провод может получать большую горизонтальную нагрузку, что в сочетании с весом снега создает не менее тяжелые условия работы воздушной линии, чем при гололеде. Промерзший снег удерживается на проводах несколько дней, а затем опадает при повышении температуры.
Изморозь, гололед и снег могут также отлагаться и на опорах воздушной линии, и при больших размерах создавать своим весом нагрузку на стержни опор.  
В большинстве районов Украины наблюдается легкая кристалличес­кая изморозь, а гололед и смесь бывают незначительной толщины. Сильные гололедообразования наблюдаются в Западай Украине, Крыму, Донбассе. Наиболее неблагоприятные условия создаются при расположении трассы воздушной линии на открытых вершинах горных хребтов, доступных ветру любого направ­ления, а также при расположении на наветренных склонах.
Наблюдения над обледенением проводов проводятся на метео­рологических станциях как визуально, так и при помощи соответст­вующих инструментов и приборов с непрерывной регистрацией (са­мописцев). Визуальные наблюдения позволяют определить общий ха­рактер обледенения и продолжительность его в месте расположения метеостанции и в прилегающем к ней районе. Инструментальные наб­людения проводятся только над теми видами обледенения, которые могут создать существенную нагрузку для проводов воздушных ли­ний (гололед, зернистая изморозь, смесь, мокрый снег). При инст­рументальных наблюдениях определяется не только внешний вид, интенсивность и продолжительность обледенения, а также размеры и вес отложения льда. Для измерения отложений применяют гололедный станок.
Кроме наблюдения на метеорологических и опытно-исследовательских станциях, производятся наблюдения над обледенением проводов на действующих линиях электропередачи и связи, при которых отмечается характер воздействия гололедообразования на конструкции воздушных линий (обрыв провода, повреждение и разрушение опор и др.). К этим наблюдениям привлекаются  линейные работники ведомств, эксплуатирующих линии электропередачи и связи, а также другие заинтересованные организации.
Для приведения размеров и форм различных отложений к чис­тому гололеду используются данные метеостанций, энергосистем и ведомств связи, а также иногда данные специальных наблюдений, поставленных при изысканиях трассы воздушной линии. Если сведения имеются только о виде отложения и его размерах, то при пересче­тах приходится принимать его объемный вес применительно к дан­ному виду в пределах, которые были указаны выше. Выбор значения объемного веса, конечно, далеко не всегда можно сделать точно, и некоторая погрешность при таком способе неизбежна. Более точ­ные результаты можно получить, если при наблюдении был опреде­лен вес отложения, отнесенный к 1 м длины провода. Приведение отложений изморози, смеси и оледенелого мокрого снега к более плотному чистому гололеду с гладкой поверхностью неизбежно соп­ровождается уменьшением действительной парусности оледенелого провода, которая зависит не только от размеров, но и от формы поперечного сечения и состояния поверхности отложения. Однако это уменьшение компенсируется расчетной скоростью ветра при го­лоледе, увеличенной по сравнению с действительной скоростью при образовании других видов отложений.
При анализе действительной работы воздушных линий нужно учитывать размеры отложений и возможность их сочетания с сильными ветрами, а также частоту такого совпадения двух явлений.
На метеостанциях (используется гололедный станок) наблюдения обычно производятся на коротких проводах или стержнях диаметром 5 мм, подвешенных  на высоте около 2 м над землей. Провода же воздушных линий подвешиваются с большими пролетами; они име­ют во многих случаях значительно большие диаметры и располага­ются на большей высоте. Различие в диаметрах и положении прово­дов воздушной линии и опытного образца создает неодинаковые ус­ловия для обледенения. Специальные наблюдения и исследования показывают, что толщина стенки приведенного гололеда зависит от диаметра провода и высоты его подвески: уменьшается при увеличе­нии диаметра и увеличивается при увеличении высоты над землей. Поэтому расчетная толщина стенки цилиндрического круглого голо­леда на проводе воздушной линии должна быть определена с учетом поправочных коэффициентов на диаметр и высоту.
Влияние диаметра провода заметно сказывается при слабом го­лоледе. Например, при диаметре провода 30 мм толщина стенки при­веденного гололеда будет в полтора раза меньше приведенной толщины на опытном образце диаметром 5 мм. При сильном гололеде эта разница будет значительно меньше. Более существенное влияние имеет увеличение высоты расположения провода над землей.  При увеличении высоты возрастает скорость ветра и увеличивает­ся влагосодержание гололедонесущего потока, т.е. воздушного потока, несущего переохлажденные капли воды. В Нормах приведенная толщина стенки гололеда округляется до значения, кратного пяти.
При составлении карты расчетных гололедных районов принят поправочный коэффициент на высоту К = 0,8-2,0 при изменении высоты от 5 до 100 м, поправочный коэффициент на диаметр прово­да μ1 = 1,1-0,6 при изменении диаметра от 5 до 70 мм, по от­ношению к величинам стенок гололеда, полученным на гидрометеоро­логических станциях и приведенным к удельному весу 0,9 г/см3.
Толщина стенки гололеда приведена к диаметру провода 10 мм при повторяемости 1 раз в 5 лет, расположенного на высоте 10 м над поверхностью земли.
Принимаемая в расчетах толщина стенки гололеда для повторя­емости 1 раз в 5 и 10 лет должна быть не менее 5 мм, а для пов­торяемости 1 раз в 15 лет - не менее 10 мм.
При высоте расположения приведенного центра тяжести прово­дов до 25 м поправки на толщину стенки гололеда в зависимости от высоты и диаметра проводов и тросов не вводятся.    


Температурные и климатические воздействия

Величина температуры воздуха сказывается на работе воздушной линии вследствие прямого влияния на степень натяжения и провисания проводов и тросов.  Особо важное значение имеют величины максимальной, минимальной и среднегодовой температуры. Кро­ме того, на работу линии влияют сочетания низких температур с наибольшими скоростями ветра, а также температура, сопутствую­щая процессу обледенений и грозовым явлениям.
Изменение температуры в течении суток называется суточным ходом температуры, а ж течении года – годовым ходом температуры.
Суточный ход температуры  характеризуется величинами температуры, отмеченнымы в определенные сроки наблюдений в течении суток, в том числе максимальными и минимальными значениями и разностью между ними, которая называется суточной амплитудой температуры воздуха.
Годовой ход температуры обычно характеризуется ее много­летними средними местными величинами, по которым можно опре­делить величину среднегодовой температуры.
На метеорологических станциях для измерения температуры воздуха  пользуются жидкостными ртутными или спиртовыми термомет­рами. Для фиксирования самой высокой и самой низкой температуры между сроками наблюдений применяют специальные жидкостные тер­мометры: ртутный максимальный и спиртовой минимальный. Для непрерывной регистрации изменения температуры воздуха применяют самописцы термографы -  биметаллический и жидкостный. Измерение температуры воздуха термометрами и  регистрация самописцами тер­мографами производится на высоте 2 м от земли. С целью исклю­чения непосредственного влияния на показания приборов солнечных  лучей, атмосферных осадков и ветра приборы помещают в псих­рометрической будке. Обычно такой будке находится псих­рометрическая установка, состоящая из  приборов для определения темпе­ратуры и влажности воздуха. Для определения крайних или иных значений температур могут быть использованы  климатологические карты распределения температур, составление по многолетним данным.


Расчетные режимы работы ВЛ

Расчет ВЛ по нормальному режиму работы (провода и тросы не оборваны) необходимо производить для следующих сочетаний климатических условий:
  1. высшая температура, ветер и гололед отсутствуют;
  2. низшая температура, ветер и гололед отсутствуют;
  3. среднегодовая температура, ветер и гололед отсутст­вуют;
  4. провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С, ветер отсутствует;
  5. максимальный нормативный скоростной напор ветра  gmax, температура минус 5°С, ветер отсутствует;
  6. провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С, скоростной напор ветра  0,25 gmax (скорость ветра 0,5 Vmax). В районах с толщиной стенки гололеда 15 мм и более скоростной на­пор ветра при гололеде должен быть не менее 14 кг/м2 (скорость ветра - не менее 15 м/с).
Для районов со среднегодовой температурой минус 5°С и ни­же температуры в  пп.5 и 6 следует принимать равной минус 10°С.
Во всех случаях скоростной напор ветра при гололеде следу­ет принимать не более 30 кг/м2.
В отдельных районах Украины, где отмечены повышенные скорости ветра при гололеде или где их можно ожидать, а также в районах, где возможно сочетание значительных скоростей ветра с большими гололедно-изморозевыми отложениями с плотностью менее 0,9 г/см3, нормативные значения скоростного напора ветра и толщины стенки гололеда должны быть приняты в соответствии с данными о фактически наблюдаемых размерах гололеда и скорости ветра при гололе­де.
Расчет ВЛ по аварийному режиму работы необходимо произво­дить для следующих сочетаний климатических условий:
  1. среднегодовая температура t9, ветер и гололед отсутст­вуют;
  2. низшая температура tmin, ветер и гололед отсутствуют;
  3. провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С, ветер отсутствует.
  4. При проверке опор ВЛ по условиям монтажа необходимо принимать следующие сочетания климатических условий: температура минус 15°С,  скоростной напор ветра на высоте до 15 м от земли 6,25 кг/м2, гололед отсутствует.
При расчете приближений токоведущих частей к элементам опор ВЛ и сооружений необходимо принимать следующие сочетания климатических условий:  
  1. При рабочем напряжении: максимальный нормативный скоростной напор ветра gmax, температура минус 5°С.
  2. При грозовых и внутренних перенапряжениях: температура плюс 15°С, скоростной напор  g = 0,1 gmax (V = 0.3 Vmax ), но не менее 6,25 кг/м2.
  3. Для облегчения безопасного подъема на опору под напряже­нием, температура минус 15°С, ветер и гололед отсутствуют. Значение gmax принимается таким же, как для определения ветровой нагрузки на провода.
Расчет приближений по п.2 должен производиться также при отсутствии ветра.


Нагрузки от технологического оборудования

Механический расчет проводов и тросов эксплуатируемых ВЛ производится по методу допустимых напряжений, расчет изолято­ров и арматуры - по методу разрушающих нагрузок. По обоим мето­дам расчеты производятся на нормативные нагрузки. Проектирование опор и фундаментов ВЛ производится по методу расчетных предельных состояний. Применение других методов расчета в каждом отдель­ном случае должно быть обосновано в проекте.